知識與思維相融合 能力與素養(yǎng)共發(fā)展

解慕宗 申燕 范曉鳳 劉文婷

摘要： 課堂是落實化學(xué)核心素養(yǎng)的主陣地，知識是提升學(xué)生思維水平、培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力的重要載體。以“Na2CO3和NaHCO3在水溶液中的行為”教學(xué)為案例，呈現(xiàn)16個簡約而高品質(zhì)的問題，分析各個教學(xué)活動的設(shè)計意圖，力求實現(xiàn)知識、思維、能力、素養(yǎng)“四位一體化”建構(gòu)。指出教學(xué)中應(yīng)建構(gòu)知識，讓能力自然生長;應(yīng)內(nèi)化知識，讓思維流光溢彩;應(yīng)超越知識，讓素養(yǎng)潤澤學(xué)生。

關(guān)鍵詞： 能力與素養(yǎng); Na2CO3和NaHCO3; 教學(xué)設(shè)計

文章編號： 1005-6629（2019）8-0062-06 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： B

1 ?引言

Na2CO3和NaHCO3是兩種應(yīng)用廣泛的鈉鹽，該部分知識有著豐富的素養(yǎng)內(nèi)涵和育人價值。通過對Na2CO3和NaHCO3的學(xué)習(xí)，學(xué)生能深入理解水溶液中的離子反應(yīng)，建構(gòu)正鹽和酸式鹽的轉(zhuǎn)化模型，發(fā)展“微粒觀”、“元素觀”、“轉(zhuǎn)化觀”等化學(xué)基本觀念。傳統(tǒng)的復(fù)習(xí)方式將重心落在“Na2CO3和NaHCO3的性質(zhì)”，授課過程中伴隨著大量的知識點羅列或化學(xué)方程式記憶。然而當(dāng)對Na2CO3和NaHCO3的考查以陌生情境為載體出現(xiàn)時，學(xué)生依舊無從下手。追本溯源，學(xué)生在知識的簡單羅列中孤立地學(xué)習(xí)元素及其化合物知識，未能建立元素化合物知識與反應(yīng)原理知識之間的聯(lián)系，認(rèn)識角度單一，認(rèn)識思路僵化。教學(xué)過程中若只聚焦知識的應(yīng)然解析，疏于探索知識的應(yīng)用價值，將導(dǎo)致學(xué)生的大腦填滿了各類靜態(tài)的知識和結(jié)論，卻不具備相應(yīng)的學(xué)科思維，不具備解決陌生問題的能力，學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展便成了無源之水。

故復(fù)習(xí)中有必要打破單一知識內(nèi)容的桎梏，促使學(xué)生更新知識結(jié)構(gòu)，提升遷移創(chuàng)新能力，面對復(fù)雜的陌生情境時，能多角度進行系統(tǒng)推理。知識與思維相融合，才能把握眾多知識表象下內(nèi)聚的心智過程，提升統(tǒng)攝知識的能力，實現(xiàn)能力與素養(yǎng)的共同發(fā)展。

2 ?設(shè)計思路

本節(jié)課聚焦“Na2CO3和NaHCO3在水溶液中的行為”，通過微粒行為的符號表征、物質(zhì)轉(zhuǎn)化與鑒別的討論、微粒行為強弱程度的比較、微粒行為多樣性的感受等教學(xué)活動，打破具體物質(zhì)間的藩籬，整合元素及其化合物知識與反應(yīng)原理知識。教學(xué)過程中努力改變學(xué)生依賴機械記憶的學(xué)習(xí)方式，指向?qū)W生的“最近發(fā)展區(qū)”，促使其深度思考，提升思維的系統(tǒng)性、敏捷性、深刻性、批判性。在知識的傳授中讓思維盡情舞蹈，使關(guān)鍵能力與化學(xué)核心素養(yǎng)在潛移默化中得到發(fā)展。

參考王磊教授的學(xué)科能力構(gòu)成模型[1]，確定本節(jié)課的能力進階路徑，精選知識要點，設(shè)計教學(xué)活動，旨在提升思維水平，達成素養(yǎng)目標(biāo)。具體設(shè)計思路如圖1所示。

3 ?教學(xué)過程

3.1 ?符號表征： 建立認(rèn)識角度

[問題1]Na2CO3和NaHCO3在生活中應(yīng)用廣泛，Na2CO3可用于肥皂和玻璃的制造，NaHCO3則是發(fā)酵粉的主要成分，也能用于治療胃酸過多。兩者一字之差，用途差異很大。性質(zhì)決定用途，而分類是研究物質(zhì)性質(zhì)的好方法。能否從不同角度對二者進行分類？

[學(xué)生]Na2CO3是碳酸鹽、正鹽;NaHCO3是鈉鹽、碳酸氫鹽、酸式鹽。

[問題2]大部分鈉鹽均易溶于水，故兩者在

水中的溶解性均很好，而碳酸鹽和碳酸氫鹽均能與酸反應(yīng)，為何NaHCO3可用于治療胃酸過多，而設(shè)計意圖： 從宏觀事實入手引入教學(xué)內(nèi)容，列舉兩者在生活中的用途，引導(dǎo)學(xué)生對Na2CO3和NaHCO3分類，發(fā)展學(xué)生的分類觀。通過類別通性中的“反常之處”——Na2CO3能與酸反應(yīng)，卻不能治療胃酸過多，創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物質(zhì)在水溶液中的行為過程。通過符號表征，將復(fù)雜的微觀過程凝練成簡潔的形式。該環(huán)節(jié)幫助學(xué)生建立新的認(rèn)識角度： 對于陌生物質(zhì)，可以通過微粒在水溶液中行為，深入理解物質(zhì)的性質(zhì)和用途。

3.2 ?知識融合： 拓寬認(rèn)識方式

3.2.1 ?應(yīng)用1： Na2CO3與NaHCO3的轉(zhuǎn)化

[問題5]結(jié)合Na2CO3和NaHCO3在水溶液中的行為，請分析Na2CO3溶液如何轉(zhuǎn)化為NaHCO3溶液？

[學(xué)生甲]CO2-3結(jié)合H+即可轉(zhuǎn)化為HCO ?-3， CO2-3的水解即為結(jié)合水中H+，但水電離出的H+濃度太低，所以向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸即可。

[學(xué)生乙]一旦鹽酸過量，CO2-3會轉(zhuǎn)化為CO2和H2O?？梢韵騈a2CO3溶液中通入過量的CO2，發(fā)生反應(yīng)CO2+H2O+CO2-32HCO ?-3， H2CO3具有釋放H+的能力，CO2-3具有結(jié)合H+的能力，CO2-3從H2CO3處“借”一個H+，兩者“均攤”為HCO ?-3。

[問題6]NaHCO3溶液怎樣轉(zhuǎn)化為Na2CO3溶液？

[學(xué)生丙]通過降低H+濃度的方式： 促使電離平衡HCO ?-3CO2-3+H+正向移動，故加入NaOH即可，發(fā)生反應(yīng)： HCO ?-3+OH-CO2-3+H2O。

[學(xué)生丁]加入具有結(jié)合H+能力的物質(zhì)且不引入雜質(zhì)離子，可以是NaAlO2溶液，發(fā)生反應(yīng)： HCO ?-3+AlO ?-2+H2OCO2-3+Al（OH）3↓。

[問題7]CO2-3也具有結(jié)合H+的能力，為何CO2-3不會從Al（OH）3中“搶奪”H+生成HCO ?-3？

[學(xué)生]因為AlO ?-2結(jié)合H+的能力強于CO2-3，即AlO ?-2的堿性更強。

[模型建構(gòu)]總結(jié)Na2CO3和NaHCO3的相互轉(zhuǎn)化，建構(gòu)轉(zhuǎn)化模型，如圖2所示。

設(shè)計意圖： 從H+結(jié)合與釋放的角度研究Na2CO3和NaHCO3的相互轉(zhuǎn)化，將平衡移動原理應(yīng)用于物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，元素化合物知識和反應(yīng)原理知識互相融合，既有助于“變化觀”和“平衡觀”的發(fā)展，又能豐富學(xué)生的認(rèn)識角度，促使認(rèn)知模型的建構(gòu)。教學(xué)中呈現(xiàn)不同板塊知識間的關(guān)聯(lián)，理清知識間豐富的邏輯關(guān)系，避免學(xué)生凌亂地“存儲”化學(xué)知識，加深學(xué)生對學(xué)科知識的整體認(rèn)識，拓寬認(rèn)識方式，提升認(rèn)識能力。

3.2.2 ?應(yīng)用2： Na2CO3與NaHCO3的鑒別

[問題8]實驗室有兩瓶等濃度的未貼標(biāo)簽的Na2CO3和NaHCO3溶液，如何設(shè)計實驗加以鑒別？

[各抒己見]方案1： 測定溶液的pH， pH更大的是Na2CO3;

方案2： 取少量溶液于試管中，滴加稀鹽酸，若一開始無氣泡，溶質(zhì)為Na2CO3;若立即產(chǎn)生氣泡，表明溶質(zhì)為NaHCO3;

方案3： 取少量溶液于試管中，滴加CaCl2溶液，若不產(chǎn)生白色沉淀，則表明溶質(zhì)為NaHCO3，反之，溶質(zhì)為Na2CO3。

[問題9]NaHCO3溶液與CaCl2溶液真的不反應(yīng)嗎？請大家觀察“白面包”實驗。

[演示實驗1]將10g無水CaCl2固體放入小燒杯，倒入5mL蒸餾水，攪拌，得到稍黏稠的過飽和CaCl2濁液，一次性倒入15g NaHCO3粉末，快速攪拌至黏稠，將玻璃棒扶在燒杯中央。發(fā)現(xiàn)固體迅速膨脹，產(chǎn)生無色無味氣體。停止膨脹后，松開玻璃棒，玻璃棒立在燒杯中部。加水溶解，燒杯底部有難溶的白色固體。

[學(xué)生]通過實驗現(xiàn)象推測兩者反應(yīng)產(chǎn)生了CO2氣體和CaCO3沉淀。

[問題10]大家能否嘗試從平衡移動的角度解釋氣體和沉淀產(chǎn)生的原因？

[學(xué)生]HCO ?-3CO2-3+H+，加入氯化鈣，Ca2+結(jié)合CO2-3生成CaCO3沉淀，電離平衡正向移動，產(chǎn)生更多的H+與未電離的HCO ?-3結(jié)合生成氣體CO2。

[教師]聯(lián)想HCO ?-3在水溶液中的行為，還有別的解釋方法嗎？

[學(xué)生]也可以從自耦電離的角度進行解釋： 2HCO ?-3H2CO3+CO2-3， Ca2+結(jié)合CO2-3生成CaCO3沉淀，促使平衡正向移動，最終同時生成氣體和沉淀。

設(shè)計意圖： 從Na2CO3與NaHCO3的鑒別引出對NaHCO3溶液與CaCl2溶液能否反應(yīng)的討論。通過現(xiàn)象明顯的“白面包”實驗引燃課堂，激發(fā)學(xué)生的求知欲，再組織開展分析、評價、解釋、論證等高階認(rèn)知活動。學(xué)生從多角度解釋氣體和沉淀產(chǎn)生的原因，將平衡移動原理進一步應(yīng)用于物質(zhì)的鑒別，認(rèn)識思路得以外顯，偏差認(rèn)識得以糾正，學(xué)生在問題解決過程中能深入認(rèn)識電解質(zhì)在水溶液中的行為，增強了思考內(nèi)容的靈活度。在高三復(fù)習(xí)課中引入實驗，能避免學(xué)生機械記憶固有結(jié)論，幫助學(xué)生通過實驗事實，運用化學(xué)特有的學(xué)科視角，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，實現(xiàn)問題的有效解決。

3.3 ?證據(jù)推理： 形成認(rèn)識思路

[問題11]（推理1）經(jīng)過上述討論，我們知道NaHCO3溶液與CaCl2溶液的反應(yīng)可以理解為Ca2+促進了HCO ?-3的電離，HCO ?-3的電離實質(zhì)上是釋放H+的過程，HCO ?-3結(jié)合H+的能力和釋放H+的能力相比，何者更強？能否從多角度尋找證據(jù)支撐你的推斷？已知： Ka1（H2CO3）=4.4×10-7， Ka2（H2CO3）=4.7×10-11。

[學(xué)生]（積極討論）HCO ?-3結(jié)合H+的能力強于釋放H+的能力。

證據(jù)1： （定性角度）NaHCO3可用于治療胃酸過多，NaHCO3溶液顯弱堿性;

證據(jù)2： （定量角度）Ka（HCO ?-3）=4.7×10-11， Kh（HCO ?-3）=KwKa1（H2CO3）=2.3×10-8， HCO ?-3的水解程度更大，結(jié)合H+的能力更強。

[問題12]（推理2）CO2-3也具有結(jié)合H+的能力，HCO ?-3結(jié)合H+的能力和CO2-3結(jié)合H+的能力相比，何者更強？

[學(xué)生]（踴躍作答）CO2-3結(jié)合H+的能力強于HCO ?-3。

證據(jù)1： （定性角度）Na2CO3雖顯堿性，卻不能用于治療胃酸過多，表明Na2CO3的堿性更強，即CO2-3結(jié)合H+的能力更強;

證據(jù)2： （定量角度）Kh（CO2-3）=KwKa2（H2CO3）=2.1×10-4， Kh（HCO ?-3）=2.3×10-8， CO2-3的水解程度更大，故其結(jié)合H+的能力更強;

證據(jù)3： （實驗事實角度）向等濃度的Na2CO3和NaHCO3的混合溶液中滴加HCl，一開始無氣泡，后來產(chǎn)生氣泡，表明CO2-3結(jié)合H+的能力更強。

[演示實驗2]將質(zhì)量均為0.5g的Na2CO3、 NaHCO3固體置于試管中，加入5mL蒸餾水完全溶解，滴加2mol·L-1的鹽酸，實驗過程中一開始出現(xiàn)了少量的氣泡，有部分氣泡在上升的過程中逐漸變小乃至消失，后來出現(xiàn)大量的氣泡。

[教師]引導(dǎo)學(xué)生觀察演示實驗2，討論證據(jù)3的科學(xué)性。

[教師]該實驗現(xiàn)象與預(yù)期有差異，嘗試從微觀角度解釋一開始有少量氣泡，有部分氣泡在上升過程中逐漸變小乃至消失的原因。

[學(xué)生]滴加鹽酸過程中，局部酸性較強，CO2-3捕捉濃度較高的H+生成H2CO3， H2CO3分解生成CO2，出現(xiàn)小氣泡，當(dāng)CO2努力從溶液內(nèi)部向液面上升時，與大量未反應(yīng)的CO2-3相遇，生成了HCO ?-3，小氣泡會繼續(xù)變小乃至于消失。該實驗現(xiàn)象雖然與預(yù)期有差異，但能說明CO2-3結(jié)合H+的能力強于HCO ?-3。

設(shè)計意圖： 證據(jù)推理過程容易以偏概全，教師的點評能幫助學(xué)生尋找支撐推斷的關(guān)鍵性證據(jù)，形成完整的“證據(jù)鏈”。劉懷樂說：“教師不做實驗或不能成功地做好實驗本身，就是不能向?qū)W生提供真實的事實。[2]”做實驗可以為證據(jù)推理提供可靠的事實依據(jù)。通過實驗佐證證據(jù)3的科學(xué)性，實驗現(xiàn)象雖有些出乎意料，但也說明了實驗是化學(xué)的最高法庭。從提出問題到多角度證據(jù)推理，再到證據(jù)的科學(xué)性論證，在學(xué)生心中埋下了科學(xué)精神的種子。

[問題13]（推理3）HCO ?-3結(jié)合水中H+的能力和結(jié)合自身H+的能力何者更強？

[學(xué)生]HCO ?-3結(jié)合自身H+的能力更強。

證據(jù)： （定量角度）HCO ?-3+H2OH2CO3+OH-， Kh（HCO ?-3）=2.3×10-8; HCO ?-3+HCO ?-3H2CO3+CO2-3， K=Ka2Ka1=1.1×10-4，故HCO ?-3自耦電離的程度更大。

[學(xué)生]原來HCO ?-3自耦電離的程度并沒有我們想象中的那么小。

[問題14]HCO ?-3自耦電離的程度遠大于其自身電離的程度，NaHCO3溶液與CaCl2溶液的反應(yīng)完全可以理解為Ca2+促進了HCO ?-3的自耦電離。已知： Ksp（CaCO3）=2.8×10-9，計算Ca2++2HCO ?-3H2CO3+CaCO3↓的平衡常數(shù)K。

[學(xué)生]K=c（H2CO3）c（Ca2+）·c2（HCO ?-3）=Ka2（H2CO3）Ka1（H2CO3）·Ksp（CaCO3）≈4×104，該反應(yīng)的平衡常數(shù)接近105，可近似認(rèn)為該反應(yīng)進行完全，所以“白面包”實驗現(xiàn)象很明顯。

設(shè)計意圖： 圍繞微粒結(jié)合和釋放H+能力的比較，引導(dǎo)學(xué)生從定性、定量、實驗現(xiàn)象等多個角度尋找證據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識。本環(huán)節(jié)的教學(xué)中，凸顯平衡常數(shù)的重要性，幫助學(xué)生形成認(rèn)識思路。學(xué)會結(jié)合生活常識和實驗事實定性分析反應(yīng)程度，學(xué)會通過平衡常數(shù)量化反應(yīng)程度的大小。在一系列的平衡常數(shù)的計算中，探索知識的功能，促使知識經(jīng)驗的程序化。引導(dǎo)學(xué)生分析復(fù)雜溶液體系中的多重平衡，通過定性分析和定量計算推出合理結(jié)論，在問題的解決中提升高階思維能力。

3.4 ?思維發(fā)散： 促使認(rèn)識進階

[問題15]反應(yīng)Ca2++2HCO ?-3H2CO3+CaCO3↓的平衡常數(shù)很大，NaHCO3溶液與CaCl2溶液反應(yīng)一定會有非常明顯的現(xiàn)象嗎？

[演示實驗3]向三支裝有2mL 0.1mol·L-1的NaHCO3溶液中分別滴入2滴1mol·L-1、 0.1mol·L-1、 0.01mol·L-1的CaCl2溶液，觀察實驗現(xiàn)象。

[學(xué)生]2mL 0.1mol·L-1的NaHCO3溶液與1mol·L-1的CaCl2溶液反應(yīng)，溶液明顯變渾濁，而換成0.1mol·L-1的CaCl2溶液，溶液略微變渾濁，若滴加0.01mol·L-1的CaCl2溶液，幾乎觀察不到任何明顯現(xiàn)象。

設(shè)計意圖： 平衡常數(shù)很大反應(yīng)也有可能觀察不到明顯的實驗現(xiàn)象，再度引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，挑戰(zhàn)學(xué)生的已有認(rèn)識角度，引發(fā)學(xué)生的深度反思，將課堂推向高潮。在教師的推動下，學(xué)生能打破原有的認(rèn)知平衡，初步學(xué)會從“趨勢、限度、速率”等多個角度認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)，感受到化學(xué)反應(yīng)中宏觀現(xiàn)象背后微觀機理的復(fù)雜性，驚嘆化學(xué)反應(yīng)的神奇，也為大學(xué)階段深入學(xué)習(xí)化學(xué)熱力學(xué)和動力學(xué)奠定基礎(chǔ)。

[問題16]許多反應(yīng)中都能找到自耦電離存在的依據(jù)，書寫下列過程的反應(yīng)的化學(xué)方程式。

（1） CoSO4溶液與NH4HCO3溶液反應(yīng)生成CoCO3沉淀（化學(xué)方程式）;

（2） NH4HCO3溶液與ZnSO4溶液在一定條件下可生成ZnCO3·Zn（OH）2（化學(xué)方程式）;

（3） 向1mol·L-1的NaHCO3溶液中滴加BaCl2溶液，同時通入過量的NH3（離子方程式）。

參考答案： （1） CoSO4+2NH4HCO3CoCO3↓+CO2↑+H2O+（NH4）2SO4

（2） 4NH4HCO3+2ZnSO4ZnCO3·Zn（OH）2↓+3CO2↑+H2O+2（NH4）2SO4

（3） Ba2++HCO ?-3+NH3BaCO3↓+NH ?+4

設(shè)計意圖： 本題組旨在讓學(xué)生感受水溶液體系中離子反應(yīng)的豐富多彩，打破思維定勢，優(yōu)化認(rèn)識模型，提升思維的有序性和系統(tǒng)性。最終在新舊知識的整合、知識結(jié)構(gòu)的更新中實現(xiàn)思維認(rèn)識的進階。

4 ?教學(xué)反思

4.1 ?建構(gòu)知識： 讓能力自然生長

傳統(tǒng)的高三復(fù)習(xí)課往往圍繞“兩題三點”展開，即注重高考真題和模擬試題的訓(xùn)練，注重重點、難點和考點的歸納整理。僅以試題為素材，看似有利于快速提分，但學(xué)生容易就題論題，只能獲得局部的知識與方法，未能實現(xiàn)知識獲得與能力發(fā)展的統(tǒng)一融合。高考試題往往通過陌生的情境素材考查學(xué)生的綜合能力，依賴“題海戰(zhàn)術(shù)”收效甚微，故復(fù)習(xí)中應(yīng)關(guān)注知識的建構(gòu)過程，尊重學(xué)生的主體地位，不能讓課堂淪為“兩題三點”的密集講練。

本節(jié)課中，無需羅列Na2CO3與NaHCO3的若干性質(zhì)，也無需告訴學(xué)生Na2CO3與NaHCO3的轉(zhuǎn)化方法，可以讓學(xué)生用符號語言描述兩者在水溶液中的行為，并將其離子行為應(yīng)用于兩者的轉(zhuǎn)化。教師沿著認(rèn)知發(fā)展的脈絡(luò)引導(dǎo)學(xué)生循序漸進地建構(gòu)知識，學(xué)生的關(guān)鍵能力在潛移默化中自然生長。例如： 學(xué)生可以在對微粒行為的符號表征中發(fā)展概括關(guān)聯(lián)能力，在對HCO ?-3自耦電離的討論中提升說明論證能力，在對NaHCO3溶液與CaCl2溶液能否反應(yīng)的探討中提升復(fù)雜推理能力。知識的建構(gòu)過程與能力的發(fā)展過程往往相伴隨行。